Что такое углеродистая сталь, ее производство, маркировка и способы применения

Что собой представляют углеродистые стали

Углеродистые стали в зависимости от основной сферы применения подразделяются на:

• обыкновенные углеродистые стали
• конструкционные сплавы
• инструментальные сплавы (популярное решение для производства инструмента)

Характеристики обыкновенной уступают конструкционной углеродистой стали в прочности. Конструкционная сталь по характеристикам хуже инструментальной. Это объясняется процессом изготовления, в металле для инструментов меньше воздуха. В последующих пунктах разберем подробнее процесс изготовления.

Они не содержат в своем составе легирующих добавок. От обычных стальных сплавов эти стали также отличает и то, что в их составе содержится значительно меньшее количество таких базовых химических примесей, как марганец, магний и кремний.

Содержание основного элемента – углерода – в сталях данной категории может варьироваться в достаточно широких пределах. Поэтому они подразделяются:

1. высокоуглеродистая сталь содержит в своем составе 0,6–2% углерода;
2. среднеуглеродистые стали – содержание углерода 0,3–0,6%;
3. низкоуглеродистые стальные сплавы – содержание до 0,25%.

Данный элемент определяет не только свойства углеродистых сталей, но и их структуру. Так, внутренняя структура стальных сплавов, содержащих в своем составе менее 0,8% углерода, состоит преимущественно из феррита и перлита, при увеличении концентрации углерода начинает формироваться вторичный цементит.

Углеродистые стали с преобладающей ферритной структурой отличаются высокой пластичностью и низкой прочностью. Если же в структуре стали преобладает цементит, то она характеризуется высокой прочностью, но вместе с этим является и очень хрупкой. При увеличении количества углерода до 0,8–1% прочностные характеристики и твердость углеродистой стали возрастают, но значительно ухудшаются ее пластичность и вязкость.

Углеродистая сталь, как и стальной сплав любой другой категории, содержит в своем составе различные примеси. Элементы: кремний, марганец, фосфор, серу, азот, кислород и водород. Часть этих примесей, такие как марганец и кремний, являются полезными, их вводят в состав стали на стадии ее выплавки для того, чтобы обеспечить ее раскисление. Сера и фосфор – это вредные примеси, которые ухудшают качественные характеристики стального сплава.

Хотя считается, что углеродистые и легированные стали несовместимы, для улучшения их физико-механических и технологических характеристик может выполняться микролегирование. Для этого в углеродистую сталь вводятся различные добавки: бор, титан, цирконий, редкоземельные элементы. При помощи таких добавок не получится сделать нержавейку, но можно заметно улучшить свойства.

Состав

Для плавки стали используется углерод и дополнительные элементы. В зависимости от будущего назначения сплава к материалу предъявляются определенные требования к качеству: твердость, пластичность, текучесть и т.д. Корректировку этих параметров можно осуществлять с помощью изменения % содержания углерода. Его процентное соотношение к общему объему является одним из основных условий разделения стали на виды.

Их отличительные качества и особенности описаны в нормативных документах:

• Обыкновенного качества – ГОСТ 380-85
• Конструкционная – ГОСТ 380-88
• Инструментальная – ГОСТ 1435-54 и ГОСТ 5952-51

Чем больше содержание углерода, тем выше показатель твердости. Однако нужно учитывать, что одновременно с этим возрастает хрупкость. В зависимости от этого показателя сталь по химическому составу разделяют на:

• Низкоуглеродистая – содержание C до 0,25%. Отличается хорошей пластичностью, относительно легко поддается деформации, как в холодном состоянии (годна для холодной ковки), так и под воздействием высоких температур.
• Среднеуглеродистые – содержание углерода от 0,3% до 0,6%. Обладает достаточной прочностью, но также имеет хорошие показатели пластичности и текучести, что важно для обработки. Область применения – элементы конструкций, эксплуатация которых подразумевает нормальные условия.
• Высокоуглеродистые – от 0,6% до 1,4%. Из нее изготавливают высокопрочный инструмент, приборы для измерения.

Каждый из этих видов стали имеет определенную область применения в зависимости от характеристик.

Характеристики

Воздействуют на структуру и характеристики за счет термической обработки металлической конструкции. Однако, не все поддается корректировке с помощью термических методов. К таким структурно-нечуствительным относят жесткость, выраженную модулем упругости или модулем сдвига. Это учитывают при проектировании ответственных узлов и механизмов, деталей в различных сферах машиностроения.

Свойства углерода, как простого вещества:

• При нормальных условиях плотность составляет 2,25 г/см³.
• Температура кипения равна 3506,85 °C.
• Молярная теплоемкость – 8,54 Дж/(K•моль).
• Критическая температура фазового перехода (когда газ не конденсируется ни при каком давлении) — 4130 К, 12 МПа.
• Молярный объем 5,3 см³/моль.

Также стоит перечислить углеродные модификации. Из кристаллических веществ самыми известными являются: алмаз, карбин, графит, наноалмаз, фуллерит, лонсдейлит, фуллерен, а также углеродные волокна.

К аморфным образованиям относится: древесный, ископаемый и активированный уголь, антрацит, кокс, стеклоуглерод, сажа, техуглерод и нанопена.

Но ничто из перечисленного не является чистой аллотропной формой обсуждаемого вещества. Это лишь химические соединения, в которых углерод содержится в высокой концентрации.

Классификация углеродистых сталей

Условно все углеродистые стали делят на несколько категорий, используя разные направления. Рассмотрим основные классификации металлов.

1. По химическому составу(по наличию и объемам углерода в железном сплаве)

1. По технологии получения:

• электрические УС;
• мартеновские;
• кислородно-конвертерные.

1. По области применения

1. По степени раскисления:

• спокойный;
• кипящий;
• полуспокойный.

1. По качеству:

• металлы обычного качества;
• качественные стали;
• высококачественные.

Варианты раскисления углеродистого сплава:

• Раскисленная углеродистая сталь полностью проходит раскисление, в процессе не остается свободного кислорода. В результате материал обладает однородным составом и превосходной прочностью для изготовления инструмента.
• Полураскисленная углеродистая сталь частично раскисленая, без полной степени обработки. и в сплаве все еще есть какое-то содержание свободного кислорода. Характеристики полуразрушенного углеродистого сплава между полностью раскисленной и неуспокоенной сталью.
• Сплав, полученный без раскисления, называется неуспокоенной сталью. Он хрупкий и плох для производства.

Отсутствие кислорода в углеродистом сплаве делает его прочным.

Разновидности

Углеродистая сталь делится на 2 основных вида, о которых подробно распишем ниже в статье.

Обыкновенного качества

Это самый востребованный вид стали в настоящее время, изготовление происходит методом раскисления. Углеродистой стали обыкновенного качества хорошо свариваются. Она производится в виде проката – горячекатаного, сортового и фасонного толсто- и тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового.

Углеродистая сталь обычного качества используется для производства:

• Ст0 – обшивки, арматуры и т. д.;
• Ст1 – швеллеров, тавровых и двутавровых балок. Отличается низкой твердостью, но хорошей вязкостью;
• Ст2 – частей неответственных конструкций. Является высокопластичным материалом;
• Ст3 – металлопроката, применяемого для возведения строительных конструкций, кузова, дисков автомобильной техники и т. п.;
• Ст5 – болтов, гаек, рычагов, пальцев, осей и т. д.;
• Ст6 – деталей повышенной прочности и износостойкости для деревообрабатывающих и металлообрабатывающих станков.

Конструкционные обыкновенного качества широко применяются в строительстве и машиностроении как наиболее дешёвые, технологичные, обладающие необходимыми свойствами при изготовлении конструкций массового назначения.

Качественная

К данному металлу повышенные требования, как к химическому составу, так и к механическим свойствам. Регламентируется содержание вредных компонентов для качественной:

• Сера – не более 0,04%.
• Фосфор – не более 0,035%.

Данные сорта материала обозначаются буквой «У» и делятся на два вида: качественные и высококачественные. Качественные марки стали (ГОСТ 1435-99) используются для изготовления инструмента, ответственных элементов в машиностроении, проволоки, а также при производстве точных измерительных приборов.

Важно помнить, что чем лучше показатель твердости, материала, тем более хрупким будет изделие. Так, для инструментальных сортов качественной стали характерна хорошая механическая твердость и прочность, низкая текучесть и пластичность материала.

Из марок качественной стали изготавливают:

• Трубы и детали, которые применимы в котлостроении.
• Проволоку, листы, уголки.
• Изделия с высокой степенью пластичности – болты, гайки и др.
• Детали, предназначенные для создания свариваемых конструкций.
• Различного рода патрубки, пальцы, оси.
• Шестерни, муфты сцепления грузовых автомобилей, автобусов и другой техники.
• Пружинные шайбы, кольца.

Инструментальная (высококачественная)

Высококачественные стали марок: У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У НА, У12А и У13А. Допускается всего 0,02% серы и 0,03% фосфора. Стали, изготовленные методом электрошлакового переплава, содержат до 0,015% серы. В зависимости от содержания хрома, никеля и меди инструментальные углеродистые стали подразделяются на пять групп:

1. качественные стали всех марок;
2. высококачественные стали всех марок;
3. стали марок У10А и У12А;
4. стали всех марок;
5. стали марок У7÷У13.

Углеродистые инструментальные стали разных марок имеют повышенную прочность, и большой показатель ударной вязкости. Металлы используют для создания инструментов и сменных элементов.

Маркировка углеродистых сталей

.Все углеродистые согласно маркировке стали делятся на три категории:

• Группа А. К этой марке относятся сплавы, соответствующие строго заданным механическим свойствам;
• Группа Б. Стали этой группы четко соответствуют по химическому составу;
• Группа В. Продукция этой группы должна соответствовать механическим, физическим и химическим свойствам одновременно.

У стали обыкновенного качества в начале обозначения стоят буквы Ст. За буквами Ст в маркировке идет цифровое обозначение. Число в маркировке обозначает номер марки металла. Далее, после номера, вписывается тип сплава. Углеродистую сталь обыкновенного качества изготавливают по степени раскисления стали:

• КП – кипящий;
• ПС – полуспокойный;
• СП – спокойный.

Для раскисления стали обычно используют алюминий, который образует весьма прочный окисел Al2O3, выделяющийся в жидком металле в виде отдельной твердой фазы. Также используют для раскисления углерод, ферросилиций, ферромарганец, силикокальций и силикомарганец. При разливке кипящей стали после раскисления в изложницы, она кипит и насыщается газами.

Кипящие стали отличаются неоднородностью структуры и химического состава. Поэтому кипящие металлы не обладают прочностью из-за завариваемых при прокатке воздушных пузырей, которые при вальцовке или штамповке могут привести к расслоению материала.

Спокойная сталь является обладателем наиболее лучших механических свойств по сравнению с другими видами стали, на втором месте находится полуспокойная сталь. Полуспокойная сталь дешевле спокойной стали, кипящая сталь в свою очередь дешевле полуспокойной и спокойной, так как изготовление проще.

Непосредственно перед буквенным обозначением сплава стоит буква, обозначающая группу стали. Если продукт относится к группе А, то найти букву не удастся, она не проставляется. Узнать о том, что перед вами инструментальная сталь, можно по букве «У», стоящей в самом начале ее маркировки. Цифра, следующая за такой буквой, указывает на содержание углерода, но уже в десятых долях процента. Буква «А», если она присутствует в обозначении инструментальной стали, говорит о том, что данный сплав отличается улучшенными качественными характеристиками..

Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества содержат вредных примесей: серы до 0,05 %, а фосфора до 0,04 % (ГОСТ 380-2005). Конструкционные стали маркируются Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп и т. д.

Цветовая маркировка

Для быстрого определения марки производитель наносит специализированной краской соответствующие полосы:

Степень наличия углерода в материале определяется в самом начале. Количество углерода для металла группы А указывается в сотых частях процента. Для Б и В – в десятых. В некоторых случаях после этих цифр производитель проставляет букву Г. Она означает, что в изделии содержится большое количество марганца. Марганец с Кремнием способствуют быстрому раскислению.

Область применения

Углеродистые сплавы используют повсеместно, благодаря составу металла и доступности, простоте обработки. Технология сварки под флюсом углеродистых сталей подразумевает применение сварочной проволоки и плавленых флюсов: АН-348-А и ОСЦ-45. Сваривание осуществляется на малых величинах тока. Это позволяет «насытить» наплавленный металл необходимым уровнем кремния и марганца для раскисления.

Сферы применения:

1. Производство деталей машин

• дистанционные кольца;
• втулки;
• проволоку;
• крышки;
• колпаки;
• маховики;
• стаканы под размещение подшипников;
• прихваты и планки.

1. Сварные каркасные конструкции и корпусные изделия:

• шкивы ременных передач;
• звездочки цепных передач;
• зубчатые колеса и шестерни, валы-шестерни;
• валы и оси;
• шпиндели;
• рычаги;
• ролики;
• штока и поршни цилиндров.

1. Производство инструмента

• напильников и надфилей;
• резцов по дереву;
• отверток, шестигранных и гаечных ключей;
• плоскогубцев, бокорезов, кусачек;
• садовых ножниц;
• ножниц по резанию металла;
• пил и ножовок;
• топоров;
• метчиков и плашек;
• кернов и ударников для маркировки;
• накатных роликов;
• сверл, зенковок, цековок;
• мерительного инструмента (штангенциркулей, микрометров);
• калибров;
• механических угломеров;
• оснастки для штампов (матрицы, пуансоны).

1. Производство крепежа

• Винты;
• Болты;
• Шпильки.

Распорные анкеры из углеродистой и нержавеющей стали, сертифицированы для установки в бетоне с трещинами и без трещин для укрепления.

Ножи из стали 1055 Carbon Steel

Представленные ножи сделаны из стали 1055 Carbon steel – это высокоуглеродистая сталь, с хорошей ударной вязкостью. Ему будут по плечу даже самые интенсивные работы, которые предстоит выполнить с помощью мачете. Вся поверхность клинка покрыта специальным составом, который делает металл черным и матовым. Благодаря этому, мачете выглядит особенно стильно.

Принципы выбора готовых изделий

При выборе нержавеющей стали нужно учитывать определенные критерии, разбираться в маркировке. Дополнительно необходимо изучить сильные и слабые стороны сплава, производителей.

Критерии

При покупке стали нужно учитывать:

1. Химический состав. Для его определения нужно попросить у продавца сертификат. Качественный сплав будет иметь обозначение аустенитного, который содержит большое количество никеля, хрома.
2. Размер продукции. Рекомендуется нарисовать рисунок будущей конструкции или детали, показать ее продавцу. Специалист поможет подобрать размер.
3. Категории, группы стали. К первой категории относятся сплавы с высокой устойчивостью к образованию ржавчины, химическим веществам. Во вторую категорию входят сплавы с высоким показателем термической устойчивости. Третья категория объединяет металлы с высокими показателями прочности, износоустойчивости. Они выдерживают нагревание до критических температур без потери свойств.

Листы не должны иметь видимых повреждений, неровностей, глубоких царапин.

Листы нержавеющей стали

Преимущества

Положительные стороны материала:

1. Устойчивость к образованию ржавчины. Изделия из этого сплава можно использовать в любых условиях.
2. Высокая прочность, износоустойчивость.
3. Привлекательный вид.
4. Долговечность. Срок службы — более 30 лет.
5. Термоустойчивость. Нержавейка выдерживают сильное нагревание с сохранением характеристик.

Производители и цены

Производители:

• Завод металлоконструкций «Северозапад»;
• VT-METALL;
• ООО «Доминат».

Цена за стандартный лист нержавеющей стали — 200 рублей.

Завод по изготовлению металлопроката